煤巷錨桿支護技術研究

摘要：煤巷錨桿支護技術的發展方向是采用強度更高性能更好的錨桿產品，以更大的間排距完成支護目標，減少錨桿用量并以更快的掘進速度完成施工，同時保證更好的安全可靠性，因而應加強對錨桿支護系統性的認識，在解決問題中深化研究，進一步揭示錨桿作用的實質和機理，指導實踐；研發更高性能的錨桿產品及相關加工技術，使支護形式多樣化，把握技術發展的方向；進一步規范施工技術，消除隱蔽工程，加強安全可靠性研究，強化施工現場管理。

關鍵詞：煤巷錨桿錨索支護技術

0 引言

煤巷樹脂錨桿是指對巖層及煤層起錨固作用、維護圍巖穩定的桿狀結構物及附件，其種類和結構繁雜多樣，但各礦井一般都將其作為簡單材料，分散加工，規模小質量不穩定，使用效果差，根本原因在于對錨桿加工要求和結構必須具備的基本性能不清楚。隨著這一技術的推廣應用和普及，客觀上要求提高錨桿整體性能及加工精度，特別是困難復雜條件下應用該項技術對錨桿的性能提出了更高的要求，把錨桿作為一種簡單的支護材料已不適應全面推廣這一新技術的要求，必須使錨桿加工系列化、規范化、標準化，只有高性能的成套錨桿才可能滿足地質條件復雜多變的需求。

1 高性能(預拉力)錨桿支護

錨桿結構和加工性能如何規范是十分重要的技術問題，針對目前錨桿加工、使用中存在的缺陷和問題，筆者提出高性能錨桿的概念，它是指桿體材質符合高強度、延伸率要求、附件完整、整體強度和幾何尺寸匹配、能夠滿足鉆機連續一體化安裝并實現預拉力的新型錨桿。

目前煤巷推廣使用的一種高性能錨桿有如下特點：①采用20MnSi無縱筋左旋螺紋鋼加工，其強度和延伸率都符合高強度錨桿對材質的要求，材質優良，取材方便，桿體表面凸紋能夠滿足攪拌阻力和錨固要求，不必二次加工；②外端螺紋部采用低強度損失加工新工藝，螺母、托盤、鋼帶等附件尺寸匹配、強度相當；③雙重減摩措施，保證實現預拉力(初錨力)，并調整錨桿外端受力；④扭矩螺母實現快速機械安裝結構；⑤有醒目的標志直觀顯示安裝施工質量。⑥配套的新型附件性能優越，包括頂板用M型鋼帶和幫用的Ⅱ型輕型帶鋼，前者是針對W型鋼帶易撕裂、抗彎模量小的缺陷，經過斷面形狀優化產生的高翼緣結構；后者是針對鋼筋梯子梁焊點不牢，整體性差，與圍巖接觸困難的缺陷而開發出來的，用料省，整體力學性能好，它們都屬于更新換代產品，有多種規格和多個系列。為了強調預拉力的作用，這種錨桿又稱高性能預拉力錨桿。

2 小孔徑預應力錨索

小孔徑預應力錨索由預應力高強度鋼絞線、專用托盤、鎖具和錨固劑組成，其中鋼絞線內錨固段需安設毛刺和擋環，以滿足攪拌樹脂和錨固要求。

2.1 錨索主要在復雜困難條件下作為加強支護用。與高性能錨桿支護相比，該種支護方式具有如下優點：①鉆眼施工機具、錨固材料及攪拌方式沿用樹脂錨桿相關技術，較傳統的錨索大大簡化了施工難度；②鋼絞線具有柔性，因而長度可以適當加長，錨固深度大大提高，可以將6.0～9.0m以內的下部不穩定巖層錨固到上部穩定的巖層中，而目前的錨桿長度難以超過巷道高度；③專用設備施加預應力，預緊力大小隨意可調，可以及時主動支護圍巖，而錨桿預拉力受鉆機扭矩限制，目前不超過20～30kN。

2.2 錨桿和錨索聯合支護解決了大量的煤巷支護技術難題，已作為經驗在現場推廣應用，并成為解決復雜條件的基本形式。但從使用效果看，尚存在一些問題：①由于外端頭受力不良，實測鋼絞線破斷力一般在200kN左右，強度區別不明顯；②鋼絞線延伸率僅有3.5％，抗變形性能差，和錨桿承載不同步，易超前錨桿集中受力；過高的預拉力必將進一步加劇錨桿和錨索的不同步承載現象，導致各個擊破。③與圍巖點接觸，軟弱巖體受點載荷時，頂板強化效果不明顯。

3 鋼絞線預應力桁架

頂板的離層破壞從根本上講是層狀頂板的不協調變形，在相同或相近的受力狀態下，下位巖體常常表現出更大的彎曲變形，即離層。控制離層或從根本上消除離層的最直接最有效手段是在高預拉力錨桿支護的基礎上，進一步強化低位巖體的力學性能，改善其受力狀態，美國開發的高預拉力鋼絞線桁架系統，將處于受壓狀態的巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點和支護結構的基礎，通過高強度的預應力鋼絞線傳遞張拉力，直接作用于頂板淺部圍巖，它大大簡化了普通錨桿桁架所必須的復雜結構，并由專用機具實現初張力。該種支護形式可以在頂板未出現離層時強化頂板，減少變形；出現離層時，形成可靠的兜護效應，阻止巷道頂板冒漏，確保巷道的安全使用。

鋼絞線預應力桁架與錨索支護所用材料和施工機具工藝十分接近，由預應力高強度鋼絞線、鎖具和錨固劑組成，另需配置專用桁架連接器，施加預拉力的機具和錨索通用。但作用方式較錨索有很大改進：①內錨固點為巷道兩肩窩深部巖體，十分可靠，而錨索內錨固點在巷道正上方，可能隨頂板垮落而失效；②與圍巖的作用特點和效果不同，錨索與頂板圍巖是點接觸，而桁架則是拉緊的鋼絞線與頂板形成線或面接觸，作用范圍大，松散破碎頂板受力狀態好；同時桁架施加的水平預緊力可以改善頂板的應力狀態，在巷道頂板內產生一對對稱彎矩，消除了由于頂板彎曲而產生的拉應力區，完全變為壓應力狀態，使巷道頂板產生向上的垂直位移，使頂板的下沉量被抵消，因而可以消除離層，這對改善頂板的穩定性有著重要的作用。③鋼絞線抗剪性能強，能夠緩解水平應力導致的頂板支護結構的剪切破壞；④受力隨頂板巖體彎曲，兩幫錨固點內移，能形成閉鎖結構，受力增加較慢，支護結構不易失效；而錨索隨頂板變形，載荷直線上升，易拉斷失效；⑤錨固深度一般不需超過3.0～4.0m，施工方便。

因此，鋼絞線桁架系統能夠解決厚層復合破碎頂板(不穩定層厚累計超過5.0m)、高水平地應力、松散煤層頂板等條件下的支護難題，彌補錨索支護的不足，該種支護方式在大排距(超過兩排錨桿)下可以防止頂板垮落，加密排距(小于兩排錨桿)可以進一步控制變形。

4 組合支護

兩種以上的主動式支護方式的聯合即組合支護，常見的是預拉力錨桿和預拉力錨索的組合支護，已有大量的工程實踐；高性能預拉力錨桿和鋼絞線預應力桁架的聯合支護國內剛開始試用，在高地應力厚層復合頂板條件下控制巷道變形和防止頂板離層方面已較錨桿錨索組合支護顯示巨大的優越性。組合支護的關鍵是同步承載和剛度匹配問題，應該指出的是錨索的使用是有誤區的，部分設計錨索初張力不低于100～120kN，使圍巖初期的變形壓力完全集在錨索鋼絞線上，不能和錨桿支護有機組合，起不到聯合支護的作用。按目前的技術水平，高性能錨桿預拉力僅不超過20～30kN，因而錨索和桁架的預拉力一般不應超過60～80kN，才能形成同步承載。

5 結束語

由以上分析可見，煤巷錨桿主動支護體系包括三種基本形式，他們的共同點是都具有預拉力，在施工安裝完成后即和圍巖產生一個顯著的相互作用力，這里錨桿是支護系統的主要構件和基礎，因此把它稱之為預拉力(錨桿)支護體系，這是真正意義上的主動支護體系，它解決的很多復雜的支護問題是其它錨桿支護技術所無法完成的。